【摘 要】
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随着人们对光纤激光器研究的不断深入,在工业造船、汽车制造、通讯、金属钻孔、切割打标等行业都可以看到光纤激光器的身影。科研人员也都在探究让激光光束质量更好、稳定性更高、体积更小、能量转换效率更高的方法。但是激光功率的快速增长,使得光纤纤芯单位面积所受热负荷逐渐增加,传统单模光纤非线性效应和模式不稳定效应愈加明显,限制了输出功率的增长,大模场（Large Mode Area,LMA）光纤由于模场面积大
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随着人们对光纤激光器研究的不断深入,在工业造船、汽车制造、通讯、金属钻孔、切割打标等行业都可以看到光纤激光器的身影。科研人员也都在探究让激光光束质量更好、稳定性更高、体积更小、能量转换效率更高的方法。但是激光功率的快速增长,使得光纤纤芯单位面积所受热负荷逐渐增加,传统单模光纤非线性效应和模式不稳定效应愈加明显,限制了输出功率的增长,大模场（Large Mode Area,LMA）光纤由于模场面积大并且单位面积所受热负荷较低而被广泛应用于高功率光纤放大器中。本文提出了一种新型异质螺旋包层LMA光纤（Heterogeneous Helical Claddings,HHC）,分析了纤芯折射率（n0）、内包层折射率（n1与n2）、外包层折射率（n3）、波长（λ）、螺距（Λ）、高折射率包层n2对应的圆心角度（θ）、弯曲半径（R）、纤芯半径（r）等光纤参数对泄露损耗系数L、有效模场面积Aeff和弯曲损耗等模式传输特性的影响。研究表明HHC光纤芯径至少达到60μm,相应的有效模场面积Aeff为2025μm~2,模式分辨本领达到国际先进水平,在掺铥HHC光纤放大器中模式不稳定阈值接近2000 W,由于螺距为厘米量级,且光纤为全固态,有利于光纤的拉制和切割等,将在高功率光纤放大器领域得到很好的应用。本文主要工作如下:1.首先介绍光纤激光器的发展历程,指出非线性效应以及热致模式不稳定效应是限制高功率光纤放大器功率提升的首要因素,而LMA光纤是解决非线性效应以及热致模式不稳定效应最直接有效的方法。通过调研国内外不同设计结构的大模场光纤以及热致模式不稳定理论模型研究现状,本文创新性地设计了一种异质螺旋包层结构的LMA光纤。2.基于坐标变换理论,采用有限元仿真技术,建立了三维螺旋光纤的二维仿真模型,研究了HHC光纤的模式传输特性理论。接着根据模式不稳定现象产生的物理机理,逐步搭建掺铥HHC光纤放大器热致模式不稳定理论模型。3.使用仿真软件COMSOL Multiphysics对HHC光纤进行模式传输特性研究,分析了Λ,r,n0,n1,n2,n3,λ和θ等参数对泄露模式损耗系数、模场面积与弯曲损耗的影响。4.基于经典模式耦合理论,初步建立了HHC光纤中基模LP01模与高阶模LP11模能量耦合模型,通过有限元仿真软件COMSOL Multiphysics得到热致模式不稳定发生时光纤纤芯中心以及包层处的光强分布,并结合光纤轴向上的光斑图得到HHC光纤的模式不稳定阈值。为了提高模式不稳定阈值,仿真研究了泵浦功率、光纤芯径尺寸及高阶模比例对光纤放大器热致模式不稳定阈值的影响。
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